何品晶：固体废物处理技术碳排放核算方法研究与思考

2021年9月13日，同济大学环境科学与工程学院何品晶教授，在2021(第九届)上海固废热点论坛上以“固体废物处理技术碳排放核算方法研究与思考”为题，介绍了碳排放核算方法，及其在固体废物处理领域的应用研究成果，并对固废领域未来碳排放研究发展进行前瞻。

同济大学环境科学与工程学院教授、博士生导师

固体废物处理与资源化研究所所长

何品晶

在9月13日的2021(第九届)上海固废热点论坛上，何品晶以“固体废物处理技术碳排放核算方法研究与思考”为题，与参会嘉宾一起探讨当下最“时髦”的话题之一--碳排放，重点讨论了碳排放核算方法相关内容。

背景讨论

何品晶认为，讨论碳达峰、碳中和的前提是需要知道到底有多少碳排放了，如何核算，这些问题是目前科研人员最关注的。关于碳排放，学术界目前已经达成一些共识，认为人类活动排放的二氧化碳是导致气候变化、极端化的主要因素之一，同时人类活动排放的二氧化碳也是全球变暖的主因。国际层面就此开展了一些标志性的工作，比如《京都议定书》、《巴黎气候协定》等。在1997年，《京都议定书》就提出“碳减排是各国普遍但有区分的责任，发达国家应承担主要责任”，并提出了碳排放的额度可以进行买卖的碳交易机制雏形。但是，到目前为止，《京都议定书》发挥的作用十分有限。因此，2015年开始有了《巴黎协定》，《巴黎协定》提出的目标是“保证全球升温小于2度，争取达到1.5度。使全球碳排放尽快达峰”。

从国内来看，众所周知，2020年9月22号，习近平主席在第75届联合国大会提出“3060”的目标。同年12月12号，在联合国气候雄心峰会又进一步提出2030年不单要碳达峰，碳排放强度要较2005年下降65%，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右。十三届全国人大四次会议提出，“十四五”期间单位GDP二氧化碳排放降低18%。今年3月15号，中央财经委员会第九次会议指出，碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。今年5月份，国家发改委提出了《投资专项管理办法》，7月30号，中央政治局提出要以问题为导向，实事求是、尊重规律、循序渐进、先立后破，稳中求进地采取相关措施。这些构成了我国这一阶段碳达峰、碳中和工作的背景。

碳排放核算方法

何品晶介绍，目前碳排放的核算方法主要有以下四种：

国家温室气体清单(IPCC)指南

首先，是政府间气候变化专门委员会(IPCC)在2006年提出了国家温室气体清单指南，根据不同层次的数据来源，核算、评估某一个具体过程的碳排放。比如，针对垃圾填埋过程、垃圾焚烧过程，都提出了核算评估的层次选择决策树，核算程序相对清晰。

以填埋场的碳排放核算为例，有一些基本的共识。比如，主要的碳排放来源为甲烷(二氧化碳当量25)，通过一阶动力学模型计算可以核算生活垃圾填埋过程中形成的碳排放量。上述是具体的计算公式。何品晶强调，核算过程中的一些数据是非常个性化的，包括可降解有机碳含量、厌氧条件下可降解的有机碳含量等。若直接采用发达国家(如美国、欧盟等)的数据并不能准确说明我国的实际情况。

另外，以垃圾焚烧碳排放核算为例，目前学术界的共识认为，化石碳的燃烧氧化过程是垃圾焚烧厂碳排放的直接途径。与垃圾填埋过程碳排放核算类似的是，核算过程中同样存在大量个性化数据的使用，包括垃圾组分、干物质含量、干物质中的碳含量、总碳中的化石碳含量等。这些高度个性化的数据，在不同的国家，甚至同一国家的不同地区都是不一样的，相应的碳排放核算结果也会有较大差异。

同样，在有机质处理过程的碳排放核算中也存在个性化数据的需要。

清洁发展机制(CDM)

第二种核算方法是清洁发展机制。

CDM方法中的核心公式是：

碳排量=基准排放-项目排放-泄露排放

详细的计算过程和方法可参见图中公式。它实际上可以认为是IPCC指南方法的继承与发展。

平衡法(BM)

第三种常见核算方法是平衡法，该方法是由奥地利Fellner团队开发建立的适合焚烧厂碳排放核算的方法，在欧洲一些国家的焚烧厂中有广泛的应用。平衡法中，将化石源组分对应的碳排放视为直接的碳排放，主要通过联立元素、质量、能量等平衡方程组求解的方式进行核算。具体的过程和方法可以参见上图中的公式。

生命周期评价

第四种碳排放核算方法是基于生命周期评价的方法。该方法基于生命周期思考(Life Cycle Thinking, LCT)，过程包括“从摇篮到坟墓”，内容涵盖包括环境、经济和社会三方面的影响;目的是减少资源消耗、削减污染排放、提高社会经济效益。

生命周期评价方法不仅可以核算固废处理过程的碳排放情况，还能定量评价多种环境影响类别。以首个综合性的生命周期影响评价(Life Cycle Impact Assessment, LCIA)模型ReCiPe为例，其中的影响类别不仅包含全球变暖潜势(Global Warming Potential, GWP;与碳排放直接相关的指标)，还包含颗粒物排放、对流层臭氧生成、平流层臭氧层破坏和化石燃料耗竭等。

将上述四种核算方法进行比较后可以发现，这些核算方法分别可以适应不同的过程。一般来说，这些方法对于固体废物处理的典型工艺过程都是比较适用的。但是，核算的工作量是有所区别的：有一些方法是比较简单的，相应的，它的过程、结果可能也有疑问，争议比较多;有一些方法比较复杂，需要很多数据，需要模型，结果也更加符合实际。总体来看，全生命周期的方法需要所有环节的参数和可靠的数据库支持。

固废处理碳排放研究

何品晶介绍，近十年来何品晶带领的团队在碳排放研究方面进行了一些探索研究，这些研究针对不同的主题。比如，针对填埋场覆盖土，研究了填埋场覆盖土是否可对甲烷有氧化作用，并尝试计算这一过程中温室气体排放的规律;再比如，针对垃圾焚烧过程，研究了垃圾组分对垃圾焚烧碳排放的影响等。

其中，2012年何品晶团队发表的一篇文章中，依据所收集的当时中国6个城市垃圾焚烧厂的运行数据，通过生命周期的方法核算了各厂的碳排放情况。结果显示，当时我国的垃圾焚烧厂是碳源;而同一时期，欧洲发达国家的研究显示垃圾焚烧厂是碳汇，得到了截然不同的结论。研究发现，垃圾的组分和发电的效率是造成当时我国垃圾焚烧的碳排放和欧洲国家碳排放差异的主要关键因素。另外，根据情景分析结果，如果当时入厂垃圾中的厨余垃圾减半，即含水率下降，可以明显减少碳的排放。

2013年的一篇文章中，何品晶团队研究了填埋过程中的碳排放。文中设定了4个填埋场景，包括简易填埋、卫生填埋无填埋气收集系统、卫生填埋配备填埋气收集系统且气体用火炬焚烧处理、卫生填埋配备填埋气收集系统且气体发电利用。研究结果显示：对于中国来说，填埋气主要源于易腐垃圾;且填埋气如何处理、是否利用，对于碳排放的影响非常大。

次年，何品晶团队针对填埋场的建设和运行过程的碳排放做了单独的系统研究。研究内容包括填埋场场地的准备、填埋主体的建设过程，其他设施的建设以及运行过程(不含渗滤液和填埋气体处理)。结果发现，主体建设、其他设施建设和运行过程当中主要是碳源，主要贡献来源是柴油和水泥的消耗。

上述几篇研究论文证实垃圾成分对碳排放的影响非常大，因此，2018年何品晶团队和丹麦技术大学团队在《Journal of Environmental Science》上发表了一篇封面文章，比较了我们国家的垃圾成分和欧洲国家的垃圾成分差异，初步建立了我国生活垃圾性质数据集。

对于填埋过程来说，吨垃圾渗滤液产生量对填埋过程的碳排放影响较大，所以，团队也对全国各地(西北、北方和南方)填埋场的渗滤液产量建立了预测模型。

近年来，垃圾分类成为新时尚。从碳排放的角度看，垃圾分类对某一个特定的场景或者城市到底有没有影响?这是一个很有趣也很重要的问题。因此，何品晶团队以上海市的垃圾分类为对象，设定不同的场景进行碳排放分析。此次研究中用到的数据都是最新收集的，包括焚烧发电、卫生填埋(现在获得这些实际的运行数据应该说比十年前容易很多)。同时，我们也做了不确定性和敏感性的分析。

研究发现，垃圾分类可以大大减少碳排放。为什么会有这样的结果呢?在上海，现在要求原生垃圾零填埋，前文研究中发现了填埋过程的碳排放非常强烈，因此，原生垃圾的零填埋是碳减排最大的驱动力。另外，针对垃圾分类后的焚烧过程进行分析发现，干垃圾中的塑料织物类成分比例提升，提高了垃圾热值量，但同时化石碳含量也提升了，这两个因素对碳排放起着相反的作用。然而，由于上海电力背景排放值较低，塑料织物类组分的比例提高对焚烧发电厂而言反而使得碳排放增加了。但是，对比前面的案例，焚烧发电的碳排放较2009年和2010年的碳排放值仍然呈现明显的下降趋势。另外，研究发现，现在的计算场景设定沼渣未进一步利用，若沼渣能够土地利用，那么整个垃圾分类过程的碳排放将有望进一步降低。

碳排放研究发展前瞻

这些研究结果给我们很多启示，有一些问题值得进一步讨论。以生命周期评价为例，该方法在研究论文中广泛使用，但这些方法也存在一系列问题。比如说，追溯上游可以是无限的、设定的系统边界带有研究者本身的主观性、不同的废物处理工艺或者废物处理系统需要本土的数据，即前文中多次提到的个性化的数据，而这些数据实际上是缺失的或者不成体系的。

另外还有很多问题，相对来说，生活垃圾研究比较多，但是除了生活垃圾之外，其他固体废物碳排放的研究基础很不足，这也是我们以后工作主要面临的问题。

因此，我觉得今后的研究方向有以下几个方面：

第一，需要统一向上追溯边界，边界需要统一。

第二，需要数据上严谨、客观的系统边界，需要建立客观、严谨、科学的系统边界设定方法。

第三，需要数据，需要系统化的固废处理过程本土数据，需要形成能够支撑碳排放核算评估的中国特色的地方数据。

第四，需要扩大研究对象至危险废物、工业固废、建筑垃圾等，需要提升这些对象的方法适应性。

第五，丰富应用场景，这些都需要数据支撑。

从我们上述初步的研究探索发现，实际上减量化和资源化是实现碳减排的根本途径。固废管理有“三化”，是一个倒置的三角形，这个顺序和强调逻辑与碳减排实际是完全一致的。同时，低碳不等于低污染，污染控制指标和碳排放指标应该同样引起重视。

编辑：陈伟浩